4G／3G终端RRM一致性测试系统的研究与实现

李清泉，邓 钢

（北京邮电大学 泛网无线通信教育部重点实验室，北京100876）

0 引 言

作为TD－SCDMA的后续演进，TD－LTE是由我国主导提出的准4G移动通信标准，其后续演进的TD－LTE－Advanced已成功入选ITU的4G标准，在国际上得到广泛认可[1]。从TD－LTE商用情况来看，TD－LTE将首先实现局部覆盖，为热点地区提供准4G服务，而现有的TD－SCDMA和GSM网络提供全覆盖3G或语音服务。因此，仅仅支持TD－LTE一种无线接入技术 （radio access technology，RAT）的单模终端已不能满足用户及市场的需求[2]，同时支持TD－LTE，TD－SCDMA和GSM的多模终端成为3G系统到LTE系统平滑过渡的桥梁。

无线资源管理 （radio resource management，RRM）一致性测试包含小区重选，切换，测量上报，随机接入等多方面的内容，是对终端无线资源管理性能的全面考察。国内现有的RRM一致性测试系统主要针对各单模系统设计，文献[3]中给出一种TD－LTE终端无线资源管理一致性测试系统的实现方法，而支持TD－LTE／TD－SCDMA系统间的RRM一致性测试系统是考察多模终端在线状态下进行系统间无线资源管理能力的重要手段。系统间无线资源管理的难点在于系统间同步及异系统操作时延计算，这将影响到对终端性能评估的准确性。

本文将在分析现有单模RRM一致性测试系统的基础上，提出将TD－LTE和TD－SCDMA单模RRM一致性测试系统级联以实现TD－LTE／TD－SCDMA系统间RRM一致性测试系统的方案，设计TD－LTE／TD－SCDMA系统间互操作所需的控制软件，解决异系统互操作时延计算方案，最后以一个TD－LTE／TD－SCDMA系统间小区重选实例验证该设计的可行性和有效性。

1 基于TTCN的RRM一致性测试模型

文献[4]中给出了一种基于TTCN－3的RRM一致性测试系统解决方案，该解决方案的框架图如图1所示。

图1 基于TTCN－3的RRM一致性测试架构

从硬件层面来看，该测试系统主要由两个部分组成:上位机和系统模拟器，其中上位机将运行测试用例，系统模拟器作为系统平台，实现相应系统底层、空口协议栈功能。

从软件层面上看，该测试系统由位于上位机的L3软件和位于系统模拟器的L1，L2软件构成。该系统使L3（包括RRC／NAS）协议栈和L1，L2实现了物理上的分离，这种架构兼顾了系统的可靠性以及可移植性。

文献[4]中对 TD－LTE／TD－SCDMA双模互操作系统测试模型有具体定义，其框架如图2所示。

其中的EUTRAN PTC和UTRAN PTC分别用来实现模拟TD－LTE系统和TD－SCDMA系统的网络层 （L3）的相关功能，包括定义L3的原语、变量、约束、函数、实现L3的所有RRM功能。PTC（paralleled test component）实质上可理解为一个进程中的线程，在整个可执行的测试套中，各个PTC各司其职，除了完成自己相应的功能外，也可以同步协调来完成同一个功能。

PDCP，RLC，MAC，PHY分别实现层1和层2协议栈基本功能，在这些基本功能实现后，通过设计层3中各PTC的流程来实现对终端不同的测试需求。

图2 TD－LTE／TD－SCDMA互操作测试模型

2 TD－LTE／TD－SCDMA 系统间 RRM 一致性测试系统实现

TD－LTE／TD－SCDMA系统间RRM一致性测试系统硬件部分主要通过级联已有的TD－LTE和TD－SCDMA单模系统模拟器，并基于此设计控制软件来实现系统间的互操作。

2.1 硬件平台

根据测试模型的定义，TD－LTE／TD－SCDMA双模互操作硬件架构主要采用1台上位机＋2台系统模拟器，SS（系统模拟器）来模拟不同RAT的L1，L2协议栈和射频功能，另外按协议中对终端RRM一致性测试的无线信道环境的要求，还需要增加信道仿真器，射频切换箱用于模拟无线环境。

基于该设计思想，系统硬件结构如图3所示。

图3 硬件结构

TD－LTE系统模拟器、TD－SCDMA系统模拟器:用于模拟各类型小区场景，每一台系统模拟器模拟一个小区；射频切换箱用于根据各测试例特定的射频线连接方式及信道环境设置[9]（AWGN、多径衰落等）。

针对TD－LTE／TD－SCDMA系统间互操作的场景，需要设计射频切换箱如图4所示，下行信号需要经过信道模拟器 （CE），叠加AWGN和多径衰落，而对上行信号则不经过CE，在理想信道环境中传输。

在系统控制计算机的控制下，自动完成系统中各设备射频输入输出端口及UE天线的连接。

2.2 软件架构

基于TTCN－3的测试模型，系统的软件架构如图5所示。

各部分软件功能见表1。

图4 射频切换箱连接

图5 系统软件结构

表1 各部分软件功能

3 TD－LTE／TD－SCDMA系统间互操作控制

系统间互操作的流程控制基于TTCN－3实现，全部运行在L3软件中，主要是两个PTC的实现，分别模拟两个小区的流程，本节将解决系统间互操作的同步和时延计算问题。

3.1 测试成分实现

对于异系统的测试例需要两种不同接口的PTC来模拟两种小区，显式创建EUTRA＿PTC和UTRAN＿PTC然后分别在这两个测试成分上实现各自小区的测试流程，定义测试例代码为:

testcase TC＿4＿3＿4＿2 （）runs on MTC＿LTE system SYSTEM＿LTE｛

var EUTRA＿PTC v＿EUTRA :＝EUTRA＿PTC.create alive；／／创建EUTRA＿PTC

var UTRAN＿PTC v＿UTRAN :＝UTRAN＿PTC.create alive；／／创建 UTRAN＿PTC

var GERAN＿PTC v＿GERAN :＝null；

var CDMA2000＿PTC v＿CDMA2000 :＝null；

var IMS＿PTC v＿IMS＿PTC1 :＝null；

var IMS＿PTC v＿IMS＿PTC2 :＝null；

timer t＿GuardTimer :＝int2float（36000）；

f＿MTC＿ConnectPTCs＿LTE（v＿EUTRA，v＿UTRAN，v＿GERAN，v＿CDMA2000，v＿IMS＿PTC1，v＿IMS＿PTC2）；

v＿EUTRA.start（f＿RRM ＿TC＿4＿3＿4＿2＿EUTRA （））； ／／运行EUTRA＿PTC的测试步

v＿UTRAN.start（f＿TC＿4＿3＿4＿2＿UTRAN（））； ／／运行UTRAN＿PTC的测试步

t＿GuardTimer.start；

f＿MTC＿MainLoop（t＿GuardTimer）；｝

在函数f＿MTC＿ConnectPTCs＿LTE中实现各个接口的连接和映射如图6，以实现本端配置，空口消息，测试成分间的同步等功能。从图中可以看出，所有内部PTC的对外接口全部映射到抽象测试系统上，即对下层系统模拟器而言，高层被抽象成一个测试系统，而屏蔽了内部的复杂逻辑。

图6 测试成分接口映射

3.2 系统间互操作的同步

系统间互操作的RRM一致性测试系统的同步主要包括两方面内容:L3两个PTC流程同步和物理层帧结构的同步。

PTC之间的同步，通过内部接口 （图6）UTRAN和EUTRAN交换特定的触发消息来实现，当一个PTC完成一个流程后，需要等待另一个PTC的触发消息，才能继续执行，这样保证了两个PTC同步协调。

物理层帧结构的同步通过硬件手段实现，在系统开机时，通过LTE系统模拟器发送一个触发信号给TD－SCDMA系统模拟器来保证物理层帧号同时开始计数，从而保证异系统帧结构的同步对齐。

3.3 TD－LTE／TD－SCDMA系统间互操作时延计算方案

RRM测试的一个重要指标是时延，它是指从执行可触发终端进行某项无线资源管理行为的外部环境变化或空口信令开始，到终端完成该无线资源管理操作所经历的时间。它综合反应了终端物理层测量能力、数据处理能力、决策算法性能等多方面能力，包含小区重选时延、切换时延、测量上报时延等的计算。对于系统间互操作，由于TDLTE和TD－SCDMA的帧结构并不完全相同，因而相比于单模系统，系统间RRM一致性测试的时延计算具有复杂性，是异系统级联时需要解决的重要问题，本文给出了一种解决方案。

3.3.1 TD－LTE／TD－SCDMA帧结构分析

TD－LTE和 TD－SCDMA 帧结构[5，6]见图7，分析可知TD－SCDMA的子帧和 TD－LTE的半帧是对齐的，都是5ms。TD－LTE系统帧号从0－1023循环，子帧号从0－9循环，周期为1024＊10ms＝10.24s；而 TD－SCDMA的子帧号从0－8191循环，周期为8192＊5ms＝40.96s。

图7 TD－LTE和TD－SCDMA帧结构对比

此处需注意，TD－LTE一个帧号加1表示10ms，而TD－SCDMA子帧号加1表示5ms，所以TD－LTE的一个周期1023个帧对应于TD－SCDMA的2047个子帧。

3.3.2 时延计算方案

对于TD－LTE／TD－SCDMA系统间互操作的无线资源管理，测试中时延计算的起点和终点可能分别在两个系统中，这样就有4种情况组合，见表2。其中场景1和场景3与单模中时延计算类似，而场景2和场景4是系统间时延计算的特例。下面将以场景2为例，介绍时延计算方案。

表2 时延计算场景分类

对于场景2，延时计算如图8所示。

该计算方案关键步骤为:

（1）在系统开机时进行一次物理层硬件同步，保证两个系统物理层帧号都从0开始计数；

（2）在时延计算起点获取起点帧号p＿StartTiming，同时开启一个定时器p＿Toffset，用来估算经过了几个帧周期 （由于定时器无法达到ms级精度，因而只能用来估算经过了几个帧周期）；

（3）在时延计算终点获取终点帧号p＿EndTiming，同时读取当前定时器Toffset的值。

（4）将TD－SCDMA帧号换算到一个TD－LTE帧周期中，即 （p＿EndTimingMOD 2048），结果与p＿Start－Timing相减算出在一个周期中的偏移值。

（5）（p＿Toffset／ （2048＊5））估算已过去的周期数，与4中结果相加即得到最终时延。

基于此方案所计算的时延精度取决于TD－LTE和TDSCDMA上报帧号的最小间隔，TD－LTE最小上报间隔为1ms，而TD－SCDMA最小上报间隔为5ms，因此最终算出的时延精度为＋／－5ms，满足文献[8]中对时延精度的要求。

图8 时延计算

对于场景4，与此情况类似，此处不再赘述。

4 TD－LTE／TD－SCDMA系统间重选实例

本节将以文献[7]定义的 TD－LTE／TD－SCDMA 系统间重选测试例4.3.4.2为例，详细介绍在本文所提出的系统上实现测试例的方法。该重选实例用于验证终端能够搜索和测量TD－SCDMA邻小区 （处于较低的重选优先级），并与当前服务的TD－LTE小区比较，满足系统间重选准则，执行重选。

4.1 测试点分析

执行一次测试例，会发生两次重选，从TD－SCDMA小区重选回TD－LTE只是为下一次循环做准备，而从TDLTE重选到低优先级的TD－SCDMA小区才是测试点，重选时延定义为:从满足重选的功率变化T2时刻开始，到终端开始在目标小区cell2上SYNCH－UL序列以发送RRC连接建立请求进行RAU过程。

重选到低优先级的异系统邻小区时延[1]定义为:

Treselect＿UTRA＿TDD（重选时延）＝TevaluateUTRA＿TDD（小区评估时间）＋TSI＿UTRA，（接收系统消息时间）

＝19.2s＋1280ms

＝20.48s

该测试例允许最大21s的重选时延，要求置信度在95%的情况下，成功次数大于90%则判为PASS。

4.2 参数配置

该测试例分别涉及2个小区，即一个TD－LTE服务小区 （小区1），和一个TD－SCDMA邻小区 （小区2），小区1配置为Band38，小区2配置为BandA，则频点，带宽信息见表3。

异系统邻小区的组网是测试例实现的关键，主要通过邻小区列表来实现，在TD－LTE与TD－SCDMA组网的场景下，LTE中通过sib6广播邻小区TD－SCDMA的相关信息，而TD－SCDMA通过sib19来广播邻小区LTE的相关信息，在两个PTC各自初始化完自己的系统消息后，相互交换关键参数，存在对方的邻小区列表中，邻小区列表组织见表4。

表3 小区基本参数

表4 邻小区列表内容组织

4.3 测试流程

首先将终端调度到State 2A[9]，即在LTE小区上完成注册并回到空闲状态，激活测试模式，然后包含2个连续时间段T1（85s）和T2（25s），在T1之前cell1和cell2功率都打开，被UE识别，cell1和cell2属于不同的跟踪区／路由区，因此重选后需要进行跟踪区／路由区更新。

T1和T2两个时间段内的详细参数配置参见文献，这里主要关注触发终端小区重选的环境变化，即两小区功率RSRP （TD－LTE）和 RSCP （TD－SCDMA）。T1，T2时间内两小区功率变化见表5。

表5 两小区各时刻功率变化

综合分析表4和表5中参数，可以确定终端在该测试环境的正确行为应为:

（1）在T1时间内驻留在TD－LTE小区上 （cell1），并且根据 S准则[10，11]计算 S值如下

Srxlevcell1＝－87－（－140）－0＝53

根据测量启动准则:s－NonIntraSearch在系统消息sib3中缺省，则需要测量邻小区，即在T1时间内，已经测量到TD－SCDMA小区 （cell2），则评估其服务质量

Srxlevcell2＝－72－（－103）－0＝31

根据重选到低优先级邻小区准则:Srxlev cell1＞46dB（threshServingLow），不会重选到cell2。

（2）在T2时刻功率变化后

Srxlevcell1＝－101－（－140）－0＝39

Srxlevcell2＝－72－（－103）－0＝31

此时满足:Srxlevcell1＜46dB（threshServingLow）

Srxlevcell2＞24dB（threshXlow）

TreselectionRAT＝0s

会立即触发UE重选到邻小区，当T2结束，又会回到T1。

（3）再次回到T1时刻时，终端还驻留在TD－SCDMA小区 （cell2）

Srxlevcell1＝53＞46dB （threshXhigh）

满足重选到高优先级邻小区的准则，则终端又重选回Cell1，依此过程循环下去。

测试例信令流程如图9所示。

4.4 结果验证

按照本文设计的TD－LTE／TD－SCDMA系统间重选测试例，已能成功运行在RRM一致性测试系统上，经过与终端联调，能够成功通过测试，运行情况如图10所示。

图9 测试例信令流程

从图10中的MSC图可以看到从eutran＿Cell6重选到utran＿Cell8的过程，首先通过RRCConnectionReq在TDSCDMA小区上发起连接建立，然后通过ROUTINGAREAUPDATEREQUEST来发起位置更新，最后完成安全模式等剩余流程释放连接回到空闲态。输出的log信息中显示本次重选时延是1041ms，小于20.48s，本次判为成功。而总体统计中重复了46次，失败1次，满足置信区间要求，所以该测试例判为PASS。

5 结束语

本文通过对TD－LTE／TD－SCDMA系统间无线资源管理一致性测试系统模型的研究，提出了基于TTCN－3的异系统RRM一致性测试系统方案，着重解决了系统间互操作同步和时延计算方案，并基于此实现了3GPP协议规定的TD－LTE／TD－SCDMA系统间小区重选测试例。验证结果表明，该方案所设计的系统能够完成异系统协议栈功能，与终端完成交互，实现测试例流程，且测试用例脚本与硬件平台相分离的结构，使其具有很高的可移植性，适用于不同的硬件平台，增强了测试用例脚本的通用性。然而对于测试例实现中的异常流程的处理还有待进一步完善，以提高系统的容错性；另外，该系统只考虑了TD－LTE／TD－SCDMA两模间的互操作性，通过级联GSM系统模拟器，可以实现2／3／4G多模互操作，以适应多模网络融合的需求。

图10 重选测试例MSC

[1]WANG Yingmin，SUN Shaohui.Technology principle and system design of TD－LTE[M].1st ed.Beijing:Posts and Telecom Press，2010:3－7 （in Chinese）.[王映民，孙韶辉.TD－LTE技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社，2010:3－7.]

[2]LI Weiping.Research of TD－LTE，TD－SCDMA，GSM inter－RAT cell reselection mechanism based on load balancing[D].Chongqing:CUPT，2011:18－24 （in Chinese）.[李伟平.TE－LTE，TE－SCDMA，GSM系统间小区重选机制研究——基于负载均衡的小区重选研究[D].重庆:重庆邮电大学，2011:18－24.]

[3]Dong Hongcheng，Liu Limin.The application of TTCN－3in the conformance testing of TD－LTE system[C]／／Second International Conference on Business Computing and Global Informatization，2012.

[4]3GPP TS 36.523－3V11.0.0user equipment（UE）conformance specification Part 3:Test suites[S].2011.

[5]3GPP TS 36.211V10.5.0physical channels and modulation[S].2012.

[6]3GPP TS 25.221V11.0.0Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels（TDD）[S].2012.

[7]3GPP TS 36.521－3V11.0.0:user equipment （UE）conformance specification；radio transmission and reception；part 3:radio resource management （RRM）conformance testing[S].2012.

[8]3GPP TS 36.133V11.4.0requirements for support of radio resource management[S].2012.

[9]3GPP TS 36.508V10.1.0common test environments for user equipment（UE）conformance testing[S].2012.

[10]3GPP TS 36.304V10.2.0user equipment（UE）procedures in idle mode[S].2011.

[11]3GPP TS 25.304V11.0.0user equipment（UE）procedures in idle mode and procedures for cell reselection in connected mode[S].2012.